超构透镜在先进成像应用中的最新进展
2026-04-19 08:38:43 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
超构透镜为传统折射光学元件提供了平面化、轻量化及多功能集成的替代方案，正在快速推动光学成像技术领域的前沿发展。近年来，超构透镜在效率提升、色散调控与可规模化制造等方面不断取得进展，已使超构透镜确立了其作为下一代光学平台关键组件的地位。
超构透镜（Metalens）为传统折射光学元件提供了平面化、轻量化及多功能集成的替代方案，正在快速推动光学成像技术领域的前沿发展。近年来，超构透镜在效率提升、色散调控与可规模化制造等方面不断取得进展，已使超构透镜确立了其作为下一代光学平台关键组件的地位。
据麦姆斯咨询报道，近日，意大利国家研究委员会国家光学研究所（CNR-INO）研究人员在Optics & Laser Technology期刊上发表了题为“Latest achievements in metalenses for advanced imaging applications”的综述文章，首先梳理了超构透镜设计在克服传统透镜固有光学难题方面的关键进展；随后探讨了超构透镜在多光谱、高光谱及偏振成像等先进成像系统中的集成应用，以及在被动深度感知、边缘增强成像和混合计算光学架构中的新兴应用；最后探讨了基于超构透镜的光学系统当前面临的实际挑战与未来发展方向。
基于超构透镜的光场调控优化
（1）超构透镜设计基础
超构表面是由金属或介质超构原子组成的阵列，排布于亚波长周期晶格上，其几何参数（例如高度、宽度、取向）可在超构表面区域内进行精确调控。每个超构原子均经过合理设计，以实现对出射电磁场相位或振幅的预期调控。从工作原理来看，超构表面可借助惠更斯原理进行解释：界面上的每一个超构原子均可视为球面子波源，新的波前由这些子波的干涉叠加形成。超构表面主要通过三种相位调制机制实现光调控，包括共振相位、传播相位以及几何相位。
图1 惠更斯原理在平坦均匀光学表面（左）和超构表面（右）上的应用
（2）像差与大视场角性能
面向大视场角（FOV）、宽谱段成像应用的高性能超构透镜开发，需要更加精细的设计与制造策略，以同时解决三大核心问题：单色像差、宽谱成像中的色差，以及高数值孔径（NA）实现问题。为了克服传统超构透镜设计存在的像差和视场范围限制，研究人员已经开发出多种优化结构，以满足从基础像差校正到高质量成像系统的不同需求，例如像差校正单片透镜、Chevalier景观透镜以及无像差双片结构等。
图2 用于减少像差的三种常见超构透镜架构
（3）高数值孔径与消色差超构透镜
光学设计中的另一大挑战是效率，尤其体现在光通量与聚焦能力方面。近期研究已研制出高数值孔径超构透镜。该类超构透镜采用高折射率材料与优化后的纳米结构，可使更多入射光实现精准聚焦，降低损耗并提升图像亮度与对比度。这在显微成像等对分辨率与效率要求严苛的应用中尤为重要。
图3 用于实现色散相位补偿的多种超构透镜方案
（4）变焦超构透镜
依托超构表面，光学技术实现了另一项重要突破：在超薄、轻量化的超构透镜中实现可变焦距。这类变焦超构透镜可在外场激励下改变焦距。传统的变焦镜头需要多片可动透镜构成复杂组件，而变焦超构透镜可通过对透镜表面相位分布的精确调制实现焦距动态调节。该调节过程无需任何机械运动，通常可通过施加温度、电压等外场激励实现。
基于超构透镜的先进成像技术
（1）多光谱与高光谱成像
光谱成像是一类用于捕获并分析电磁波谱中多波段数据的技术，其探测范围远超传统成像的可见光波段。根据光谱通道数量及采集方式的不同，光谱成像可分为多光谱成像（MSI）和高光谱成像（HSI）。其中，多光谱成像通常采集数十个离散光谱通道，而高光谱成像则可获取多达数百个连续光谱波段，实现对目标波段的连续采集。近年来，超构透镜已被成功集成于多光谱、高光谱成像系统中，实现了系统微型化、无机械扫描以及实时信息采集等性能优势。
图4 多光谱与高光谱成像对比
图5 基于超构透镜实现多光谱成像
（2）偏振成像
偏振成像是一类除光强和波长之外，还能够获取光偏振态信息的成像技术。通过分析光的偏振特性，能够提供传统成像方法难以获取的额外信息。传统偏振成像系统通常依赖复杂的光学组件及机械结构，难以实现小型化与集成化。相比之下，超构表面凭借其超薄、紧凑的结构特性，为偏振成像系统的微型化提供了有效解决方案。目前，研究人员已开发出多种具备偏振探测能力的超构透镜。
图6 中波红外（MWIR）偏振超构透镜平台示意图
（3）其它先进应用
超构透镜的部分应用已超越图像采集等传统光学任务，难以简单归类为多光谱、高光谱或偏振成像范畴。这类应用拓展了光学系统的功能边界，例如被动测距、边缘检测，以及利用深度神经网络（DNN）复原宽谱超构透镜成像结果的混合成像方案。这些创新应用标志着成像科学领域的范式转变，在对紧凑型、性能与集成度要求极高的消费光学、生物医学仪器及工业计量领域具有深远影响。
图7 基于超构透镜的深度传感器及其应用展示
图8 基于消色差超构透镜阵列的光场成像（全光相机）系统的多维边缘检测原理图
基于超构透镜的光学系统的实际挑战与未来发展
超构透镜为光学系统的重大进步铺平了道路，为传统透镜提供了紧凑、轻量化的替代方案。近年来，超构透镜的技术研究进程显著加快，涌现出诸多关键创新，有望重塑光学系统的形态。这些进展表明，超构透镜将在未来高分辨率、可规模化、高适应性的光学系统中发挥核心作用，不断拓展精密化、微型化领域的技术边界。
虽然超构透镜技术已取得显著进展，但在从实验室原型走向商用光学平台通用器件之前，仍需解决多项实际难题。超构透镜的核心瓶颈在于数值孔径、效率与工作带宽之间存在固有权衡关系。除此之外，超构透镜的设计本身也仍具挑战性。
展望未来，研发可在外部刺激下动态调整焦距或其它光学特性的主动式超构透镜，有望成为重要研究方向。这一发展方向有望将超构透镜的应用拓展至全新领域，从消费电子到高度专业化的科学研究场景均有覆盖。此外，将超构表面直接集成至CMOS图像传感器，将助力开发具备“快照式”成像能力的超薄成像系统，实现偏振、光谱与深度信息的同步采集。同时，纳米压印光刻（NIL）与深紫外光刻（DUV）等可规模化制造技术的进步，也将在超构透镜商业化量产过程中发挥关键作用。
论文信息：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.114058
延伸阅读：
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